Las películas de superrejilla de nanopartículas que se forman en la interfaz sólido-líquido son importantes para los materiales de mesoescala, pero son difíciles de analizar en el inicio de la formación en una interfaz sólido-líquido. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , E. Cepeda-Perez y un equipo de investigación en materiales, La física y la química en Alemania estudiaron las primeras etapas del ensamblaje de nanopartículas en interfaces sólido-líquido utilizando microscopía electrónica de fase líquida. Observaron nanopartículas de oro estabilizadas con oleilamina para formar espontáneamente capas delgadas en una ventana de membrana de nitruro de silicio del recinto líquido. En la primera monocapa, el conjunto mantuvo densos empaques de simetría hexagonal independientes del tipo de solvente apolar. La segunda capa mostraba geometrías que iban desde un empaque denso en una estructura de panal hexagonal hasta disposiciones de partículas cuasicristalinas, basadas en la constante dieléctrica del líquido. Las complejas estructuras hechas de interacciones más débiles se mantuvieron conservadas, mientras que la superficie permanecía sumergida en líquido. Al ajustar las propiedades de los materiales involucrados en la formación de superredes de nanopartículas, Cepeda-Perez et al. controló la geometría tridimensional (3-D) de una superrejilla, incluyendo cuasi-cristales (un nuevo estado de la materia).

Las nanopartículas que están densamente empaquetadas en dos o tres dimensiones pueden formar matrices regulares de superredes de nanopartículas. Por ejemplo, Las superredes de partículas semiconductoras pueden actuar como semiconductores "meta" cuando se dopan con partículas para formar nuevos materiales de mesoescala. mientras que las partículas plasmónicas en superredes densas pueden acoplarse para formar modos colectivos con respuestas de longitud de onda sintonizables y dependientes del ángulo. Pueden producirse grandes campos eléctricos entre estas partículas para la espectroscopia Raman mejorada en la superficie. Las superredes se pueden desarrollar en líquido-líquido, interfaces gas-líquido y sólido-líquido, donde las interacciones estáticas y dinámicas entre partícula-sustrato, Las interacciones partícula-partícula y partícula-líquido pueden dictar la estructura de superredes. Sin embargo, sigue siendo difícil predecir tales estructuras de antemano. Por ejemplo, aún no es posible simular el ensamblaje de superredes en múltiples etapas, con muy pocos datos en el espacio real en el laboratorio disponibles para modelar. Por lo tanto, es un desafío recopilar conocimientos experimentales sobre los mecanismos fundamentales de la formación de superredes.

En este trabajo, Cepeda-Perez et al. superredes de nanopartículas de oro (AuNP) obtenidas directamente en imágenes suspendidas en diferentes disolventes no polares utilizando microscopía electrónica de fase líquida (LP-EM). Los AuNP en la primera capa sobre una superficie, interactuaron fuertemente con el sustrato y entre sí. Como una superestructura ensamblada capa por capa, las interacciones superficiales disminuyeron, y los patrones encontraron fuerzas más débiles entre nanopartículas mediadas por las propiedades del líquido circundante. El equipo estudió las transiciones de las interacciones partícula-superficie a interacciones entre partículas más débiles al examinar los patrones de una monocapa y una doble capa, en diferentes condiciones de disolvente. Para estudiar el origen de las superredes, examinaron un solo tipo de AuNP recubiertas de oleilamina ensambladas sobre una membrana recubierta de nitruro de silicio (SiN). Para comprender las interacciones entre las AuNP y el sustrato, los científicos cambiaron el solvente y utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) para obtener la mayor resolución espacial posible con el menor flujo de electrones posible.

El equipo sometió las membranas de SiN (nitruro de silicio) a un plasma oxidante para inducir la polaridad de la superficie directamente antes de cargar la muestra. Luego, utilizando microscopía electrónica de fase líquida, observaron las nanopartículas de oro (AuNP) ubicadas en la interfaz sólido-líquido. Probaron cuatro líquidos no polares diferentes con diferentes constantes dieléctricas para variar el rango de interacciones. Las interacciones partículas-sustrato atrajeron las nanopartículas del líquido a la superficie de SiN para formar una película delgada. Las interacciones fuertes y débiles causaron empaques densos que solo se vieron afectados débilmente por la elección del solvente. Las densidades generales fueron más altas para los disolventes de cadena lineal.

Al obtener imágenes de la capa de AuNP en disolvente de hexadecano, el equipo observó puntos más brillantes y más tenues para indicar la presencia de AuNP en la parte superior de una monocapa, junto con tres niveles discretos de la señal de la imagen. Los patrones observados se mantuvieron estables incluso después de que registraron imágenes del área de la muestra en un lapso de tiempo. Relativamente, Los solventes orgánicos no polares de ciclohexano condujeron a un denso, capa superior hexagonal y el equipo notó estructuras con una base hexagonal y rombitrihexagonal (caracterizada por un triángulo, dos paralelogramos, y un hexágono en cada vértice) mosaico. Las muestras también mostraron parches de naturaleza cuasicristalina. Comparado con la primera capa de partículas, el equipo observó un enlace más débil de partículas en la segunda capa, atribuyeron la reducción de la densidad de empaquetamiento de partículas a la desintegración del potencial de interacción partícula-sustrato.

De este modo, E. Cepeda-Perez y sus colegas demostraron que los disolventes con altas constantes dieléctricas reducían las densidades de empaquetamiento y permitían la formación de estructuras cuasicristalinas. Los resultados fueron consistentes con la hipótesis del estudio sobre el autoensamblaje inducido por el sustrato y la atracción de partículas-sustrato. Los datos de LP-EM explicaron los mecanismos detrás de la formación de superredes autoensambladas de nanopartículas de oro en una interfaz sólido-líquido. Los resultados llevaron a arreglos de partículas cuasi-cristalinas, que dependía de la fuerza de la constante dieléctrica del líquido en la configuración. Según los resultados, la geometría tridimensional de una superrejilla que incluye estructuras cuasicristalinas complejas se puede ajustar manipulando las propiedades del líquido involucrado, nanopartículas, y materiales de interfaz.

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